融合多源数据的太行山区月降水精细化空间估算研究

摘要

降水受大气运动、海陆位置和下垫面状况等多种因素及其相互作用的影响，具有复杂的空间变异性。在宏观尺度上，降水遵从一定的地带性分布规律，但在微观上又复杂多变。长期以来定量估计降水空间分布一直是大气、水文科学领域的一个研究热点。在总结前人研究的基础上，本文以太行山区为研究区域，利用分离-综合的思想，将降水估算分离为降水背景场和地形降水增量。首先利用常规精度指标和地形表现能力两方面来评价遥感降水产品(TRMM3b43 V7、CMORPH1.0、CMPA)用于确定降水背景场;继而以半经验数学模型为基础，融合地面站点实测数据、NCEP-FNL再分析资料、数字高程模型DEM、数字地貌图等多源数据构建了地形降水增量理论估算模型;最后基于GIS平台，利用偏最小二乘法建立起伏地形下降水空间分布精细化估算模型，计算得到1km×1km分辨率的太行山区起伏地形下降水量精细化空间分布。在此基础上又引入地形降水凝结高度，对估算模型精度的进一步优化做了探索性尝试。得到以下几点结论:
　　(1)TRMM3b43 V7、CMORPH1.0、CMPA三套遥感降水产品探测结果总体分布规律与各地降水气候特征较为吻合。其中CMPA产品精度最高，数据误差波动最小，能够基本表现各种地貌形态下的降水分布状态，与地形因子之间相关性良好，适合作为降水背景场。但是在起伏地形下的该产品精度仍不理想，且空间尺度过大，对于降水精细分布刻画能力有限，无法满足小区域气象研究的需求，因此须利用地形降水增量对其精度进行修正。
　　(2)坡向修正因子模拟结果可以定量表征起伏地形下各月迎风坡、背风坡的空间分布状态，地形降水增量在迎风坡为正值，在背风坡为负值。所得结果与实际地形、风向、水汽分布特征吻合良好，与前人研究中得到的迎风、背风坡处降水分布的定性表达一致。
　　(3)综合降水背景场与地形降水增量，采用PLS逐步回归方法，构建起伏地形下降水空间分布精细化模型。检验结果表明:各项误差指标效果较为理想，除冬季各月外，其余月份平均相对误差MRE均低于10％，冬季月份MRE低于20％，年总量MRE低于5％。因此基于遥感降水背景场与地形抬升物理机制的模型理论依据明确，结果可靠。
　　(4)在考虑地形抬升垂直速度的基础上，引入地形抬升凝结高度来构建地形降水增量模型可以一定程度上提高最终降水空间估算模型的精度。以恒山-五台山7月降水为例，优化后的降水估算模型结果与实测站点相关系数R、MRE和RMSE分别为0.947、4.64％、7.36mm，较之优化前模型精度有所提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 基于遥感信息的降水空间估算

1．2．2 遥感降水产品的适用性评价与讨论

1．2．3 地形抬升理论研究进展

1．3 研究概述

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 本文章节安排

第二章 研究区与数据

2．1 研究区概况

2．1．1 地理位置与地形

2．1．2 气候特征及降水分布

2．2 研究数据

2．2．1 气象数据

2．2．2 地理数据

第三章 不同遥感降水产品作为降水背景场的适用性讨论

3．1 评价指标与方法

3．1．1 常规指标

3．1．2 地形表现力评价

3．2 常规指标评价结果分析

3．2．1 资料总体精度检验

3．2．2 评价指标的时间序列分布

3．2．3 资料个体精度检验

3．3 地形表现力评价结果分析

3．3．1 三套遥感降水产品在宏观地貌形态上的表现差异

3．3．2 三套遥感降水产品在地形因子的表现差异

3．4 降水背景场的确定

第四章 基于多源数据的地形降水增量空间建模

4．1 地形对于太行山区降水的影响

4．2 地形降水增量估算方法

4．2．1 地形降水增量估算模型

4．2．2 计算方案

4．3 坡向修正因子

4．4 地形降水增量空间分布

第五章 起伏地形下降水精细化空间建模

5．1 模型构建

5．1．1 偏最小二乘(PLS)建模方法

5．1．2 建模步骤

5．2 起伏地形下太行山区降水精细化空间分布

5．2．1 年降水空间分布

5．2．2 月降水空间分布

5．3 误差检验

第六章 降水空间精细化模型的进一步优化

6．1 优化原因与方法

6．1．1 优化原因

6．1．2 模型构建方法与步骤

6．2 优化模型估算结果

6．3 误差检验

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 不足与展望

参考文献

致谢

作者简介